JP2006074497A - Solid-state image pickup device - Google Patents

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寛 戸谷
Toshiaki Nagao
俊明 長尾
Kenichi Kobayashi
健一 小林
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the occurrence of fixed pattern noise in a dark part with little light irradiation. <P>SOLUTION: A signal output circuit 43 outputs a video signal corresponding to difference between potential VS1 to be generated in a source area and stored in a first line memory 50 when pixels are subjected to light irradiation and potential VS2 to be generated in the source area and stored in a second line memory 52 when the pixels are initialized. The potential VS1 and VS2 is transferred to first and second horizontal signal lines 52 and 53 and inputted to a differential amplifier 54. An arithmetic amplifying means constituted of the differential amplifier 54 outputs the video signal to the horizontal output lines 57 and 58, subsequently makes both the potential of the first and second horizontal signal lines 52 and 53 equal and sets the potential to be a potential to be determined in accordance with potential VS1 and VS2 transferred to the first and second horizontal signal lines 52 and 53 by the time the potential is outputted. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話機等に用いられる固体撮像装置に関するものである。   The present invention relates to a solid-state imaging device used for a digital camera, a mobile phone with a camera, and the like.

CCD(Charge Coupled Device) 型やMOS(Metal Oxide Silicon) 型の固体撮像装置(イメージセンサ)は、量産性に優れているため、パターンの微細化技術の進展に伴って大量生産され、ほとんどの画像入力デバイス装置に適用されている。特に近年、CCD型固体撮像装置と比べて、消費電力が小さく、かつ、撮像素子と周辺回路とを同じCMOS(Complementary MOS) 技術によって作成できるという利点を有するMOS型固体撮像装置が見直されている。   CCD (Charge Coupled Device) type and MOS (Metal Oxide Silicon) type solid-state imaging devices (image sensors) are excellent in mass production, so they are mass-produced with the advancement of pattern miniaturization technology. Applied to input device devices. In particular, in recent years, MOS-type solid-state imaging devices have been reconsidered that have lower power consumption than CCD-type solid-state imaging devices and have the advantage that an imaging device and peripheral circuits can be created by the same CMOS (Complementary MOS) technology. .

このような動向に鑑み、MOS型固体撮像装置の各種改良がなされ、光検出用MOSトランジスタのチャネル領域の下に、受光ダイオードから移送された電荷キャリア(ホール)を蓄積するためのキャリアポケット(ホールポケット)を有する固体撮像装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。この固体撮像装置は、受光ダイオードと光信号検出用MOSトランジスタとからなるピクセル(画素)が行方向及び列方向に配列された受光領域と、それを駆動する周辺回路とによって構成されており、蓄積期間→読出期間→初期化期間を繰り返しながら映像信号が順次出力される。蓄積期間では、光照射によって受光ダイオードに発生した電荷キャリアがキャリアポケットに移送される。読出期間では、キャリアポケットに蓄積された電荷キャリアの電荷量に比例した光検出用MOSトランジスタのソース電位が映像信号として外部に出力される。初期化期間では、キャリアポケットに蓄積された電荷キャリアが基板に排出される。   In view of these trends, various improvements have been made to MOS type solid-state imaging devices, and carrier pockets (holes) for accumulating charge carriers (holes) transferred from the light-receiving diodes under the channel region of the photodetection MOS transistor. A solid-state imaging device having a pocket) is disclosed (for example, see Patent Document 1). This solid-state imaging device includes a light receiving region in which pixels (pixels) each including a light receiving diode and a light signal detection MOS transistor are arranged in a row direction and a column direction, and a peripheral circuit that drives the light receiving region. Video signals are sequentially output while repeating the period → reading period → initialization period. In the accumulation period, charge carriers generated in the light receiving diode by light irradiation are transferred to the carrier pocket. In the readout period, the source potential of the photodetection MOS transistor proportional to the amount of charge of the charge carriers accumulated in the carrier pocket is output to the outside as a video signal. In the initialization period, charge carriers accumulated in the carrier pocket are discharged to the substrate.

このようにして得られる映像信号には、電荷キャリア蓄積前における光検出用MOSトランジスタ固有の基準電位(雑音電位)が含まれている。そこで、この雑音電位を映像信号から除去することを可能とした固体撮像装置が知られており、蓄積期間→第1読出期間→初期化期間→第2読出期間を繰り返しながら映像信号が順次出力されるようになっている(特許文献2参照)。蓄積期間→第1読出期間→初期化期間までは上記と同様であり、第1読出期間において雑音電位が含まれた信号電位VS1が読み出される。続く初期化期間後の第2読出期間においては、雑音電位VS2が読み出される。電位VS1,VS2は、信号出力回路内の第1ラインメモリ、第2ラインメモリにそれぞれ一時的に記憶され、信号出力回路内の演算増幅器によって演算された電位差(VS1−VS2)に応じた電位が映像信号として外部に出力される。   The video signal obtained in this way includes a reference potential (noise potential) unique to the photodetection MOS transistor before charge carrier accumulation. Therefore, a solid-state imaging device capable of removing the noise potential from the video signal is known, and the video signal is sequentially output while repeating the accumulation period → the first readout period → the initialization period → the second readout period. (See Patent Document 2). From the accumulation period to the first reading period to the initialization period, the signal potential VS1 including the noise potential is read in the first reading period. In the second read period after the subsequent initialization period, the noise potential VS2 is read. The potentials VS1 and VS2 are temporarily stored in the first line memory and the second line memory in the signal output circuit, respectively, and the potentials according to the potential difference (VS1-VS2) calculated by the operational amplifier in the signal output circuit are It is output to the outside as a video signal.

図9を用いて、この従来の固体撮像装置の信号出力回路の動作を簡単に説明する。垂直出力線100は、列方向に並んだ各ピクセルのソース領域に接続されており、列ごとに1本ずつ設けられている。蓄積期間後の第1読出期間開始直後において、全ピクセルが非選択の状態でスイッチS1,S2,S3が閉じられると、垂直出力線100及び第1ラインメモリ101が所定のプリセット電圧Vmprに設定される。続いて、第1行(第1水平ラン)に並んだピクセルが選択されるとともに、スイッチS2が開放されると、垂直出力線100を介して第1ラインメモリ101が電位VS1で充電される。続く初期化期間では、スイッチS1,S2,S3、特にS1が開放された状態で、選択された第1行目の各ピクセルの蓄積電荷が基板へ排出され、初期化が行われる。初期化期間後の第2読出期間開始直後において、全ピクセルが非選択の状態でスイッチS1,S2,S5が閉じられ、垂直出力線100及び第2ラインメモリ102が所定のプリセット電圧Vmprに設定される。そして、上記第1行目に並んだピクセルが選択されるとともに、スイッチS2が開放されると、垂直出力線100を介して第2ラインメモリ102が雑音電位VS2で充電される。   The operation of the signal output circuit of this conventional solid-state imaging device will be briefly described with reference to FIG. The vertical output line 100 is connected to the source region of each pixel arranged in the column direction, and one vertical output line 100 is provided for each column. Immediately after the start of the first readout period after the accumulation period, when the switches S1, S2, and S3 are closed in a state where all the pixels are not selected, the vertical output line 100 and the first line memory 101 are set to a predetermined preset voltage Vmpr. The Subsequently, when pixels arranged in the first row (first horizontal run) are selected and the switch S2 is opened, the first line memory 101 is charged with the potential VS1 via the vertical output line 100. In the subsequent initialization period, the accumulated charge of each pixel in the selected first row is discharged to the substrate with the switches S1, S2, S3, particularly S1, being opened, and initialization is performed. Immediately after the start of the second readout period after the initialization period, the switches S1, S2 and S5 are closed with all the pixels not selected, and the vertical output line 100 and the second line memory 102 are set to a predetermined preset voltage Vmpr. The When the pixels arranged in the first row are selected and the switch S2 is opened, the second line memory 102 is charged with the noise potential VS2 through the vertical output line 100.

これらの第1読出期間、初期化期間、及び第2読出期間の動作は、1つの水平ブランキング期間内に行われ、1水平ラインに接続されたピクセルの信号電位VS1及び雑音電位VS2が各々の列における第1ラインメモリ101及び第2ラインメモリ102に蓄積され、続く蓄積期間内に水平走査されて読み出される。   The operations of the first readout period, the initialization period, and the second readout period are performed within one horizontal blanking period, and the signal potential VS1 and the noise potential VS2 of the pixels connected to one horizontal line are The data is accumulated in the first line memory 101 and the second line memory 102 in the column, and is scanned in the horizontal direction and read out in the subsequent accumulation period.

この蓄積期間では、スイッチS3,S5が開放され、スイッチS4,S6が水平走査回路から引き出された水平走査信号供給線103によって駆動される。スイッチS4,S6が閉じられると、第1及び第2ラインメモリ101,102に記憶された電位VS1,VS2が第1及び第2水平信号線104,105にそれぞれ伝達される。第1及び第2水平信号線104,105は、差動アンプ106の負入力端子,正入力端子にそれぞれ接続されており、電位VS1,VS2に応じた電荷が第1及び第2帰還キャパシタ107,108にそれぞれ蓄積される。このとき、スイッチRSTs,RSTnは開放されている。   In this accumulation period, the switches S3 and S5 are opened, and the switches S4 and S6 are driven by the horizontal scanning signal supply line 103 drawn from the horizontal scanning circuit. When the switches S4 and S6 are closed, the potentials VS1 and VS2 stored in the first and second line memories 101 and 102 are transmitted to the first and second horizontal signal lines 104 and 105, respectively. The first and second horizontal signal lines 104 and 105 are connected to the negative input terminal and the positive input terminal of the differential amplifier 106, respectively, and charges corresponding to the potentials VS1 and VS2 are supplied to the first and second feedback capacitors 107, 105, respectively. 108, respectively. At this time, the switches RSTs and RSTn are opened.

差動アンプ106には、コモンモードフィードバック(CMF)回路が内蔵されており、入力されたCMF電位Vcmによって出力電位VoutP,VoutMのレベルシフトが行われる。すなわち、出力電位VoutP,VoutMは常にVcm=(VoutP+VoutM)/2の関係を満たしている。電位VoutP,VoutMは、差動アンプ109の負入力端子、正入力端子にそれぞれ入力され、差動アンプ109の出力端子に接続された水平出力線110に、電位差(VoutP−VoutM)に応じた映像信号が出力される。この映像信号の出力の後、スイッチRSTs,RSTn及びスイッチS7が閉じられ、差動アンプ106の帰還キャパシタ107,108がリセットされるとともに、第1及び第2水平信号線104,105が短絡される。これにより、CMF電位Vcmが入力端子に帰還され、第1及び第2水平信号線104,105はともに電位Vcmに設定される。   The differential amplifier 106 includes a common mode feedback (CMF) circuit, and the output potentials VoutP and VoutM are level-shifted by the input CMF potential Vcm. That is, the output potentials VoutP and VoutM always satisfy the relationship Vcm = (VoutP + VoutM) / 2. The potentials VoutP and VoutM are input to the negative input terminal and the positive input terminal of the differential amplifier 109, respectively, and an image corresponding to the potential difference (VoutP−VoutM) is applied to the horizontal output line 110 connected to the output terminal of the differential amplifier 109. A signal is output. After the video signal is output, the switches RSTs and RSTn and the switch S7 are closed, the feedback capacitors 107 and 108 of the differential amplifier 106 are reset, and the first and second horizontal signal lines 104 and 105 are short-circuited. . As a result, the CMF potential Vcm is fed back to the input terminal, and the first and second horizontal signal lines 104 and 105 are both set to the potential Vcm.

この後、水平走査回路によって各列の水平走査信号供給線103が順に選択されるたびに、上記と同様なラインメモリの読み出し動作が行われ、水平出力線110から映像信号が順次出力される。以上の動作は行ごとに順次行われる。
特許第3315962号公報 特開2001−230973号公報
Thereafter, each time the horizontal scanning signal supply lines 103 in each column are selected in sequence by the horizontal scanning circuit, the line memory reading operation similar to the above is performed, and video signals are sequentially output from the horizontal output lines 110. The above operations are sequentially performed for each row.
Japanese Patent No. 3315962 JP 2001-230973 A

しかしながら、このように構成された固体撮像装置では、受光領域の光照射の少ない領域(暗部)に固定パターンノイズが発生するといった現象があり問題とされている。この固定パターンノイズは、特に、列に沿って縦筋状に発生する。   However, in the solid-state imaging device configured in this way, there is a problem that a fixed pattern noise is generated in an area (dark part) where light irradiation of the light receiving area is small. This fixed pattern noise is particularly generated in the form of vertical stripes along the columns.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、光照射の少ない暗部における固定パターンノイズの発生を抑制することを可能とする固体撮像装置を提供することを目的とする。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is that it provides a solid-state imaging device capable of suppressing generation of fixed pattern noise in a dark portion where light irradiation is small.

上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、行と列に配列され、光照射量に応じた電位信号を生成する複数の光電変換素子と、列ごとに設けられた複数の垂直出力線と、前記各垂直出力線に短絡開放自在に接続され、前記光電変換素子が光照射された場合に生成する第1電位信号を記憶する複数の第1記憶手段と、前記各垂直出力線に短絡開放自在に接続され、前記光電変換素子が初期化された場合に生成する第2電位信号を記憶する複数の第2記憶手段と、前記各第1記憶手段に短絡開放自在に接続された第1水平信号線と、前記各第2記憶手段に短絡開放自在に接続された第2水平信号線と、前記第1及び第2水平信号線が入力端子に接続され、前記第1及び第2電位信号の差に応じた差信号を出力する演算増幅手段と、前記第1及び第2記憶手段と前記第1及び第2水平信号線の接続状態を制御し、前記第1及び第2電位信号を、列ごとに前記第1及び第2水平信号線に伝達させる水平走査手段とを備え、前記演算増幅手段は、前記差信号の出力が行われた後、前記第1及び第2水平信号線の電位をともに等しくするとともに、該電位を該出力時までに前記第1及び第2水平信号線に伝達された前記第1及び第2電位信号に応じて決定される電位とすることを特徴とするものである。   In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of photoelectric conversion elements that are arranged in rows and columns and generate a potential signal corresponding to the amount of light irradiation, and a plurality of vertical devices provided for each column. An output line; a plurality of first storage means connected to the respective vertical output lines so as to be openable to a short circuit; and storing a first potential signal generated when the photoelectric conversion element is irradiated with light; and the respective vertical output lines A plurality of second storage means for storing a second potential signal generated when the photoelectric conversion element is initialized, and a plurality of second storage means connected to each of the first storage means. A first horizontal signal line, a second horizontal signal line connected to each of the second storage means so as to be openable to a short circuit, and the first and second horizontal signal lines are connected to an input terminal, and the first and second Operational amplification means for outputting a difference signal corresponding to the difference in potential signal; and Horizontal scanning for controlling the connection state between the first and second storage means and the first and second horizontal signal lines and transmitting the first and second potential signals to the first and second horizontal signal lines for each column. The operational amplification means equalizes the potentials of the first and second horizontal signal lines after the output of the difference signal, and sets the potential to the first by the time of the output. And a potential determined according to the first and second potential signals transmitted to the second horizontal signal line.

なお、前記演算増幅手段は、負及び正入力端子に前記第1及び第2水平信号線が接続され、第1帰還キャパシタの一端が負入力端子に、他端が短絡開放自在に正出力端子に接続され、第2帰還キャパシタの一端が正入力端子に、他端が短絡開放自在に負出力端子に接続され、前記正及び負出力端子から出力される2つの出力信号の平均電位を定める基準信号が入力されてなる差動アンプを備え、前記第1及び第2帰還キャパシタの他端は、前記正及び負出力端子に短絡されて前記差信号の出力が行われた後、前記正及び負出力端子から開放されて、前記基準信号が与えられるようにすることが好ましい。   In the operational amplifier, the first and second horizontal signal lines are connected to the negative and positive input terminals, one end of the first feedback capacitor is connected to the negative input terminal, and the other end is connected to the positive output terminal so that the short circuit can be freely opened. A reference signal that is connected, has one end of the second feedback capacitor connected to the positive input terminal and the other end connected to the negative output terminal so as to be freely open-circuited, and determines an average potential of two output signals output from the positive and negative output terminals The other ends of the first and second feedback capacitors are short-circuited to the positive and negative output terminals to output the difference signal, and then the positive and negative outputs It is preferable that the reference signal is provided by being released from the terminal.

また、前記演算増幅手段は、負及び正入力端子に前記第1及び第2水平信号線が接続され、第1帰還キャパシタ及び第1スイッチの一端が負入力端子に、他端が正出力端子に接続され、第2帰還キャパシタ及び第2スイッチの一端が正入力端子に、他端が負出力端子に接続され、前記正及び負出力端子から出力される2つの出力信号の平均電位を定める基準信号が入力されてなる差動アンプと、前記出力時までに前記水平走査手段によって前記第1及び第2水平信号線に伝達された前記第1及び第2電位信号に応じて決定される電位を保持し、この電位を前記基準信号として前記差動アンプに入力する電位保持手段とを備え、前記信号の出力が行われた後、前記第1及び第2帰還キャパシタの両端が前記第1及び第2スイッチによって短絡されるようにすることも好ましい。   In the operational amplifier, the first and second horizontal signal lines are connected to the negative and positive input terminals, one end of the first feedback capacitor and the first switch is connected to the negative input terminal, and the other end is connected to the positive output terminal. A reference signal that is connected, one end of the second feedback capacitor and the second switch is connected to the positive input terminal, the other end is connected to the negative output terminal, and determines the average potential of the two output signals output from the positive and negative output terminals And a potential determined in accordance with the first and second potential signals transmitted to the first and second horizontal signal lines by the horizontal scanning means by the time of the output. And potential holding means for inputting this potential as the reference signal to the differential amplifier, and after the signal is output, both ends of the first and second feedback capacitors are connected to the first and second Shorted by switch It is also preferable to so that.

本発明によれば、差信号の出力時に第1及び第2水平信号線の電位をともに等しくするとともに、該電位を該出力時までに第1及び第2水平信号線に伝達された第1及び第2電位信号に応じて決定される電位とすることで、光照射の少ない暗部における固定パターンノイズの発生を抑制することができる。   According to the present invention, the potentials of the first and second horizontal signal lines are equalized when the difference signal is output, and the first and second horizontal signal lines transmitted to the first and second horizontal signal lines by the time of the output are output. By setting the potential to be determined according to the second potential signal, it is possible to suppress the occurrence of fixed pattern noise in a dark part where light irradiation is small.

図1及び図2に示すように、ピクセル10には、受光ダイオード10aと光信号検出用MOSトランジスタ(以下、単にMOSトランジスタと呼ぶ)10bとがp型ウエル層15内に隣接するように設けられている。受光ダイオード10aは、光照射量に応じて電子−ホール対(光発生電荷)を励起する。MOSトランジスタ10bは、受光ダイオード10aに発生した電子−ホール対のうち、チャネル領域の下に形成されたホールポケット25に転送されたホールが付与するポテンシャルを受けてその閾値電圧が変調され、ソース電位が変動する。ピクセル10は、光照射量に応じた電位信号(ソース電位)を生成する光電変換素子である。   As shown in FIGS. 1 and 2, the pixel 10 is provided with a light receiving diode 10 a and an optical signal detection MOS transistor (hereinafter simply referred to as a MOS transistor) 10 b so as to be adjacent to each other in the p-type well layer 15. ing. The light receiving diode 10a excites an electron-hole pair (photogenerated charge) according to the amount of light irradiation. The MOS transistor 10b receives the potential imparted by the hole transferred to the hole pocket 25 formed below the channel region among the electron-hole pairs generated in the light-receiving diode 10a, and the threshold voltage is modulated. Fluctuates. The pixel 10 is a photoelectric conversion element that generates a potential signal (source potential) corresponding to the amount of light irradiation.

図1に示すように、ピクセル10は、列方向と行方向とに沿って2次元マトリクス状に配列されている。各方向に配設されるピクセル10の数は任意である。ピクセル10において、MOSトランジスタ10bのゲート電極19は、その周縁部が八角形のリング状に形成され、プラグ21に接続されている。また、n型のソース領域16aは、リング形状のゲート電極19の内周に囲まれた領域内に形成され、プラグ20に接続されている。さらに、n型の低濃度のドレイン領域17aがゲート電極19の外周を取り囲むように形成されている。   As shown in FIG. 1, the pixels 10 are arranged in a two-dimensional matrix along the column direction and the row direction. The number of pixels 10 arranged in each direction is arbitrary. In the pixel 10, the peripheral edge portion of the gate electrode 19 of the MOS transistor 10 b is formed in an octagonal ring shape and is connected to the plug 21. The n-type source region 16 a is formed in a region surrounded by the inner periphery of the ring-shaped gate electrode 19 and connected to the plug 20. Further, an n-type low concentration drain region 17 a is formed so as to surround the outer periphery of the gate electrode 19.

受光ダイオード10aには、ドレイン領域17aとほぼ同じn型の不純物濃度を有するn型不純物層17bがドレイン領域17aと一体に形成されている。さらに、ドレイン領域17aとn型不純物層17bとの周囲には、プラグ22のコンタクト層となる高濃度で低抵抗のn+ 型不純物領域17cが形成されている。n+ 型不純物領域17cは、隣接するピクセル10へ延在し、各ピクセル10のn+ 型不純物領域17cは互いに接続され一体化している。 In the light receiving diode 10a, an n-type impurity layer 17b having substantially the same n-type impurity concentration as the drain region 17a is formed integrally with the drain region 17a. Further, a high-concentration, low-resistance n + -type impurity region 17c that forms a contact layer of the plug 22 is formed around the drain region 17a and the n-type impurity layer 17b. The n + -type impurity region 17c extends to the adjacent pixel 10, and the n + -type impurity region 17c of each pixel 10 is connected to each other and integrated.

図2は、図1のA−A線に沿うピクセル10の断面構造を示す。p+ 型シリコンからなる基板11上に、この基板11より不純物濃度が低いp- 型シリコンがエピタキシャル成長され、エピタキシャル層31が形成されている。 FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the pixel 10 along the line AA in FIG. On the substrate 11 made of p + type silicon, p type silicon having an impurity concentration lower than that of the substrate 11 is epitaxially grown to form an epitaxial layer 31.

受光ダイオード10aは、エピタキシャル層31内に埋め込まれた比較的高い不純物濃度を有するn型埋込層32と、n型埋込層32に接続されるように、この上に形成された低濃度のn型ウエル層12と、このn型ウエル層12の表層に形成されたp型ウエル層15と、このp型ウエル層15の表層に形成されたn型不純物層17bとで構成されている。さらに、n型不純物層17bの表層は、薄い絶縁膜18によって覆われている。   The light-receiving diode 10a has an n-type buried layer 32 having a relatively high impurity concentration embedded in the epitaxial layer 31, and a low-concentration formed on the n-type buried layer 32 so as to be connected to the n-type buried layer 32. The n-type well layer 12, a p-type well layer 15 formed on the surface of the n-type well layer 12, and an n-type impurity layer 17 b formed on the surface of the p-type well layer 15. Further, the surface layer of the n-type impurity layer 17 b is covered with a thin insulating film 18.

n型不純物層17b、p型ウエル層15、n型ウエル層12、及びn型埋込層32は、一体となってnpn構造の埋め込みフォトダイオードを構成している。受光ダイオード10aをこのような埋め込み構造とすることで、捕獲準位の多い半導体表面の影響を排して、雑音の低減を図っている。なお、表層から深い位置に設けられたn型埋込層32は、n型ウエル層12と一体となって厚いn型の層を形成するとともに深い空乏層を形成し、波長の長い光に反応して電荷を励起するので、赤色光に対する感度を高める。   The n-type impurity layer 17b, the p-type well layer 15, the n-type well layer 12, and the n-type buried layer 32 together constitute an embedded photodiode having an npn structure. By adopting such a buried structure for the light receiving diode 10a, the influence of the semiconductor surface having a large number of trap levels is eliminated, and noise is reduced. The n-type buried layer 32 provided deep from the surface layer forms a thick n-type layer integrally with the n-type well layer 12 and forms a deep depletion layer, and reacts to light having a long wavelength. As a result, the charge is excited, and the sensitivity to red light is increased.

MOSトランジスタ10bのドレイン領域17aは、リング形状のゲート電極19の外周を囲むようにp型ウエル層15の表層に形成され、n型不純物層17bと一体となっている。ソース領域16aは、リング形状のゲート電極19の内周に囲まれるようにp型ウエル層15の表層に形成されており、このソース領域16aの表層には、タングステンで形成されたプラグ20と低抵抗で接続するための、n+ 型のコンタクト層16bが形成されている。 The drain region 17a of the MOS transistor 10b is formed on the surface layer of the p-type well layer 15 so as to surround the outer periphery of the ring-shaped gate electrode 19, and is integrated with the n-type impurity layer 17b. The source region 16a is formed in the surface layer of the p-type well layer 15 so as to be surrounded by the inner periphery of the ring-shaped gate electrode 19, and the source region 16a has a plug 20 made of tungsten and a low thickness on the surface layer of the source region 16a. An n + -type contact layer 16b for connection by a resistor is formed.

ゲート電極19は、p型ウエル層15上に絶縁膜18を介して形成されている。ゲート電極19の下のドレイン領域17aとソース領域16aとに挟まれたp型ウエル層15の表層がチャネル領域となる。また、MOSトランジスタ10bの通常の動作電圧において、このチャネル領域をデプリーション状態に保持するために、このチャネル領域に適当な濃度のn型不純物を注入して、チャネルドープ層15cを形成している。MOSトランジスタ10bは、デプリーション型のnチャネルMOSトランジスタである。   The gate electrode 19 is formed on the p-type well layer 15 via an insulating film 18. A surface layer of the p-type well layer 15 sandwiched between the drain region 17a and the source region 16a under the gate electrode 19 serves as a channel region. Further, in order to keep the channel region in a depletion state at the normal operating voltage of the MOS transistor 10b, an n-type impurity having an appropriate concentration is implanted into the channel region to form the channel dope layer 15c. The MOS transistor 10b is a depletion type n-channel MOS transistor.

ホールポケット25は、チャネルドープ層15cの下のp型ウエル層15に形成され、ゲート電極19が覆う領域内に形成されており、リング状となっている。ホールポケット25は、p型ウエル層15内で局所的に不純物濃度が高められたp+ 型の高濃度領域である。 The hole pocket 25 is formed in the p-type well layer 15 below the channel dope layer 15c, is formed in a region covered with the gate electrode 19, and has a ring shape. The hole pocket 25 is a p + type high concentration region in which the impurity concentration is locally increased in the p type well layer 15.

MOSトランジスタ10bの領域のp型ウエル層15の下方には、n型ウエル層12を介して比較的高い不純物濃度を有するp型埋込層33が埋め込まれており、受光ダイオード10aの領域のn型埋込層32に隣接している。これにより、MOSトランジスタ10bの領域では、n型ウエル層12は、上下がp型の層によって挟まれて厚さが薄く保たれている。このp型埋込層33及びn型ウエル層12の不純物分布は、ホールポケット25に蓄積されたホールをp型埋込層33を経由して基板11に掃き出す際に、空乏層がp型埋込層33ではなくp型ウエル層15内に広がって電界が集中するように設定されており、p型埋込層33に広がる空乏層の厚さは薄い。すなわち、低いリセット電圧でp型ウエル層15内に急激なポテンシャル変化が生じ、ホールポケット25に蓄積されたホールを確実に基板11に掃き出してリセットすることができる。   A p-type buried layer 33 having a relatively high impurity concentration is buried via the n-type well layer 12 below the p-type well layer 15 in the region of the MOS transistor 10b, and n in the region of the light receiving diode 10a. Adjacent to the mold buried layer 32. As a result, in the region of the MOS transistor 10b, the n-type well layer 12 is sandwiched between the upper and lower p-type layers and kept thin. The impurity distribution of the p-type buried layer 33 and the n-type well layer 12 is such that when the holes accumulated in the hole pockets 25 are swept out to the substrate 11 via the p-type buried layer 33, the depletion layer becomes p-type buried. It is set so that the electric field concentrates in the p-type well layer 15 instead of the buried layer 33, and the depletion layer extending in the p-type buried layer 33 is thin. That is, a rapid potential change occurs in the p-type well layer 15 at a low reset voltage, and the holes accumulated in the hole pocket 25 can be reliably swept out to the substrate 11 and reset.

+ 型不純物領域17cは、p型ウエル層15を囲むように受光ダイオード10a及びMOSトランジスタ10bの外側に、隣接するピクセル10へ延在するように形成され、タングステンで形成されたプラグ22が低抵抗で接続される領域である。また、ドレイン領域17a及びn型不純物層17bは、n+ 型不純物領域17cを介して、同一導電性を有するn型ウエル層12に接続されている。これにより、p型ウエル層15は、ピクセル10内においてn型の導電体に囲まれて孤立している。 The n + -type impurity region 17c is formed to extend to the adjacent pixel 10 outside the light-receiving diode 10a and the MOS transistor 10b so as to surround the p-type well layer 15, and the plug 22 formed of tungsten is low. This is a region connected by a resistor. The drain region 17a and the n-type impurity layer 17b are connected to the n-type well layer 12 having the same conductivity through the n + -type impurity region 17c. As a result, the p-type well layer 15 is isolated by being surrounded by the n-type conductor in the pixel 10.

また、受光ダイオード10aの上方に形成された受光窓24以外の領域は、金属層(遮光膜)23により覆われて遮光されている。   The region other than the light receiving window 24 formed above the light receiving diode 10a is covered and shielded by a metal layer (light shielding film) 23.

図3に示すように、各ピクセル10のソース領域16aに接続されたプラグ20は垂直出力線34によって連結されており、1つの列に並んだプラグ20は同一の1つの垂直出力線34に連結されている。各ピクセル10のゲート電極19に接続されたプラグ21は、垂直走査信号供給線35によって連結されており、1つの行(水平ライン)に並んだプラグ21は同一の1つ垂直走査信号供給線35に連結されている。垂直出力線34と垂直走査信号供給線35とはそれぞれ異なる金属層によって形成され、互いに接触することなく交差している。また、各ピクセル10のn+ 型不純物領域17cに接続されたプラグ22は、行方向又は列方向に沿って配線されたドレイン電圧供給線36によって連結されている。なお、垂直出力線34、垂直走査信号供給線35、及びドレイン電圧供給線36は、煩雑化を防ぐために図1及び図2には図示していない。また、図3において、簡単化のためにピクセル10の配列を2行2列としている。 As shown in FIG. 3, the plugs 20 connected to the source region 16 a of each pixel 10 are connected by a vertical output line 34, and the plugs 20 arranged in one column are connected to the same vertical output line 34. Has been. The plugs 21 connected to the gate electrode 19 of each pixel 10 are connected by a vertical scanning signal supply line 35, and the plugs 21 arranged in one row (horizontal line) are the same one vertical scanning signal supply line 35. It is connected to. The vertical output line 34 and the vertical scanning signal supply line 35 are formed by different metal layers, and intersect each other without being in contact with each other. The plugs 22 connected to the n + -type impurity regions 17c of the respective pixels 10 are connected by drain voltage supply lines 36 wired along the row direction or the column direction. Note that the vertical output line 34, the vertical scanning signal supply line 35, and the drain voltage supply line 36 are not shown in FIGS. 1 and 2 in order to prevent complication. In FIG. 3, the pixels 10 are arranged in 2 rows and 2 columns for simplification.

固体撮像装置は、複数のピクセル10が配列された受光領域に周辺回路が接続されることにより構成される。周辺回路は、垂直出力線34に高電圧を与える昇圧回路40、垂直走査信号供給線35を走査して電圧を与える垂直走査回路(V走査)41、ドレイン電圧供給線36に電圧を与えるドレイン電圧駆動回路42、光検出信号を出力する信号出力回路43、信号出力回路43を水平走査する水平走査(H走査)回路44、及び、ドレイン電圧供給線36と昇圧電圧出力線37とを導通(短絡)/非導通(開放)に切り換えるスイッチ回路45等によって構成されている。   The solid-state imaging device is configured by connecting a peripheral circuit to a light receiving region in which a plurality of pixels 10 are arranged. The peripheral circuit includes a booster circuit 40 for applying a high voltage to the vertical output line 34, a vertical scanning circuit (V scanning) 41 for applying a voltage by scanning the vertical scanning signal supply line 35, and a drain voltage for applying a voltage to the drain voltage supply line 36. The drive circuit 42, the signal output circuit 43 that outputs the light detection signal, the horizontal scanning (H scanning) circuit 44 that horizontally scans the signal output circuit 43, and the drain voltage supply line 36 and the boosted voltage output line 37 are electrically connected (short-circuited). ) / Non-conductive (open) switch circuit 45 and the like.

昇圧回路40から昇圧電圧出力線37が列ごとに一本ずつ出力されている。昇圧電圧出力線37は列ごとに対応する垂直出力線34に接続されており、これらの垂直出力線34は信号出力回路43に接続されている。V走査回路41には、上記の垂直走査信号供給線35が接続されており、各ピクセル10のゲート電極19にゲート電圧を供給する。ドレイン電圧駆動回路42には、ドレイン電圧供給線36が接続されており、各ピクセル10のドレイン領域17aに共通のドレイン電圧を供給する。また、H走査回路44は、信号出力回路43に沿って配置されており、列ごとに1つずつ水平走査信号供給線38が出ている。水平走査信号供給線38は、信号出力回路43に接続されている。   One boosted voltage output line 37 is output from the booster circuit 40 for each column. The boosted voltage output lines 37 are connected to corresponding vertical output lines 34 for each column, and these vertical output lines 34 are connected to a signal output circuit 43. The vertical scanning signal supply line 35 is connected to the V scanning circuit 41 and supplies a gate voltage to the gate electrode 19 of each pixel 10. A drain voltage supply line 36 is connected to the drain voltage drive circuit 42 and supplies a common drain voltage to the drain region 17 a of each pixel 10. The H scanning circuit 44 is disposed along the signal output circuit 43, and one horizontal scanning signal supply line 38 is provided for each column. The horizontal scanning signal supply line 38 is connected to the signal output circuit 43.

スイッチ回路45は、ピクセル10それぞれに対応するドレイン電圧供給線36と昇圧電圧出力線37とに接続され、これらを導通/非導通に切り換える。すなわち、スイッチ回路45は、ピクセル10の外部から、ソース領域16aとドレイン領域17aとを接続したり切り離したりするものである。   The switch circuit 45 is connected to the drain voltage supply line 36 and the boosted voltage output line 37 corresponding to each of the pixels 10, and switches these to conduction / non-conduction. That is, the switch circuit 45 connects and disconnects the source region 16a and the drain region 17a from the outside of the pixel 10.

図4は、信号出力回路43の詳細を示す。前述の垂直出力線34は、高電圧ブロック用のスイッチS1に接続されている。スイッチS1は、プリセット電圧Vmprを発生する不図示の回路に接続されたスイッチS2と、第1ラインメモリ(第1記憶手段)50の一端子に接続されたスイッチS3と、第2ラインメモリ(第2記憶手段)51の一端子に接続されたスイッチS5とにそれぞれ接続されている。   FIG. 4 shows details of the signal output circuit 43. The aforementioned vertical output line 34 is connected to the switch S1 for high voltage block. The switch S1 includes a switch S2 connected to a circuit (not shown) that generates a preset voltage Vmpr, a switch S3 connected to one terminal of a first line memory (first storage means) 50, and a second line memory (first 2 storage means) 51 and a switch S5 connected to one terminal.

第1ラインメモリ50の他端子は接地されており、その一端子はさらに、前述の水平走査信号供給線38によりオン/オフが制御されるスイッチS4を介して第1水平信号線52に接続されている。同様に、第2ラインメモリ51の他端子は接地されており、その一端子はさらに、水平走査信号供給線38によりオン/オフが制御されるスイッチS6を介して第2水平信号線53に接続されている。   The other terminal of the first line memory 50 is grounded, and one terminal thereof is further connected to the first horizontal signal line 52 via the switch S4 whose on / off is controlled by the horizontal scanning signal supply line 38 described above. ing. Similarly, the other terminal of the second line memory 51 is grounded, and one terminal of the second line memory 51 is further connected to the second horizontal signal line 53 via a switch S6 whose ON / OFF is controlled by the horizontal scanning signal supply line 38. Has been.

第1水平信号線52は、各列に設けられた第1ラインメモリ50とスイッチ54を介して接続されており、その一端は差動アンプ54の負入力端子に接続されている。同様に、第2水平信号線53は、各列に設けられた第2ラインメモリ51とスイッチ56を介して接続されており、その一端は差動アンプ54の正入力端子に接続されている。また、第1水平信号線52と第2水平信号線53との間には、それらを短絡/開放するスイッチS7が設けられている。   The first horizontal signal line 52 is connected to a first line memory 50 provided in each column via a switch 54, and one end thereof is connected to a negative input terminal of the differential amplifier 54. Similarly, the second horizontal signal line 53 is connected to the second line memory 51 provided in each column via a switch 56, and one end thereof is connected to the positive input terminal of the differential amplifier 54. Further, a switch S7 for short-circuiting / opening them is provided between the first horizontal signal line 52 and the second horizontal signal line 53.

差動アンプ54の負入力端子と正出力端子との間には、第1帰還キャパシタ55及びスイッチS8が設けられている。第1帰還キャパシタ55の一端は負入力端子に接続されている。スイッチS8は、第1帰還キャパシタ55の他端を、正出力端子に接続するか、又は、電位Vcmを発生する不図示の電位発生回路に接続するかを切り換える。同様に、差動アンプ54の正入力端子と負出力端子との間には、第2帰還キャパシタ56及びスイッチS9が設けられている。第2帰還キャパシタ56の一端は正入力端子に接続されている。スイッチS9は、第2帰還キャパシタ56の他端を、負出力端子に接続するか、又は、電位Vcmを発生する不図示の電位発生回路に接続するかを切り換える。   A first feedback capacitor 55 and a switch S8 are provided between the negative input terminal and the positive output terminal of the differential amplifier 54. One end of the first feedback capacitor 55 is connected to the negative input terminal. The switch S8 switches whether the other end of the first feedback capacitor 55 is connected to the positive output terminal or to a potential generation circuit (not shown) that generates the potential Vcm. Similarly, a second feedback capacitor 56 and a switch S9 are provided between the positive input terminal and the negative output terminal of the differential amplifier 54. One end of the second feedback capacitor 56 is connected to the positive input terminal. The switch S9 switches whether the other end of the second feedback capacitor 56 is connected to the negative output terminal or to a potential generation circuit (not shown) that generates the potential Vcm.

差動アンプ54には、コモンモードフィードバック(CMF)回路が内蔵されており、このCMF回路は、CMF端子に入力される電位Vcmによって出力電位VoutP,VoutMの平均電位を定める。すなわち、正出力端子の出力電位VoutP、及び負出力端子の出力電位VoutMは、常にVcm=(VoutP+VoutM)/2の関係式を満たす。差動アンプ54の出力電位VoutPが水平出力線57から、出力電位VoutMが水平出力線58から各々出力される。これらVoutP及びVoutMは、VoutM−VoutP=VS1−VS2或いはVoutP−VoutM=VS2−VS1の関係が成り立ち、ソース電位VS1とVS2との差分を出力することが可能であるから、出力電位VoutP,VoutMを図示しないAD変換器を有する信号回路に入力することにより、ソース電位VS1とVS2との差分を得ることが可能となる。   The differential amplifier 54 incorporates a common mode feedback (CMF) circuit, and this CMF circuit determines the average potential of the output potentials VoutP and VoutM by the potential Vcm input to the CMF terminal. That is, the output potential VoutP at the positive output terminal and the output potential VoutM at the negative output terminal always satisfy the relational expression Vcm = (VoutP + VoutM) / 2. The output potential VoutP of the differential amplifier 54 is output from the horizontal output line 57, and the output potential VoutM is output from the horizontal output line 58. Since these VoutP and VoutM have a relationship of VoutM−VoutP = VS1−VS2 or VoutP−VoutM = VS2−VS1 and can output a difference between the source potentials VS1 and VS2, the output potentials VoutP and VoutM are By inputting to a signal circuit having an AD converter (not shown), the difference between the source potentials VS1 and VS2 can be obtained.

なお、隣接する列の垂直出力線34に対しても上記と同様な複数のスイッチと、第1及び第2ラインメモリとが設けられていおり、各列の第1ラインメモリはスイッチを介して第1水平信号線52に接続され、各列の第2ラインメモリはスイッチを介して第2水平信号線53に接続されている。信号出力回路43内の各スイッチは、nチャネルMOSトランジスタ若しくはpチャネルMOSトランジスタを単独又は組み合わせて構成される。   A plurality of switches similar to those described above and first and second line memories are provided for the vertical output lines 34 in adjacent columns, and the first line memories in each column are connected via the switches. The second line memory of each column is connected to the second horizontal signal line 53 through a switch. Each switch in the signal output circuit 43 is composed of an n-channel MOS transistor or a p-channel MOS transistor alone or in combination.

図5及び図6を用いてMOS型固体撮像装置の撮像動作を説明する。撮像動作が開始すると、ピクセル10がマトリクス状に配列された受光領域の各行がV走査回路41によって順に選択されるとともに、図6に示す一連の4つのステップST1〜ST4(蓄積期間→第1読出期間→初期化期間→第2読出期間)が一行ずつ順に繰り返し実施される。最終行の一連の4つのステップST1〜ST4が終了した後には、先頭行へ戻って同じ動作を繰り返すといった、いわゆるローリング動作が行われる。   The imaging operation of the MOS type solid-state imaging device will be described with reference to FIGS. When the imaging operation is started, each row of the light receiving region in which the pixels 10 are arranged in a matrix is sequentially selected by the V scanning circuit 41, and a series of four steps ST1 to ST4 (accumulation period → first reading shown in FIG. 6). (Period → initialization period → second reading period) is repeated in order line by line. After the series of four steps ST1 to ST4 in the last row is completed, a so-called rolling operation is performed in which the same operation is repeated after returning to the first row.

蓄積期間(ST1)では、受光領域の全ての行において光照射によるホールの発生及び蓄積が行われるとともに、信号出力回路43から、選択される第N行の1つ手前の第(N−1)行の映像信号Voutが出力されている。まず、蓄積期間内の期間Aにおいて、全ピクセルのゲート電極19に約2.5Vの電圧を印加する。このゲート電極19に印加される電圧をゲート電圧と呼び、同図中ではVg1,Vg2と示されている。ゲート電圧Vg1は、V走査回路41によって選択された選択行におけるゲート電圧であり、ゲート電圧Vg2は、それ以外の非選択の行におけるゲート電圧である。ただし、この蓄積期間ではこの選択行・非選択行の区別はない。   In the accumulation period (ST1), holes are generated and accumulated by light irradiation in all rows of the light receiving region, and the (N-1) th (N-1) one before the Nth row selected from the signal output circuit 43. The row video signal Vout is output. First, in the period A within the accumulation period, a voltage of about 2.5 V is applied to the gate electrodes 19 of all the pixels. The voltage applied to the gate electrode 19 is called a gate voltage and is indicated as Vg1 and Vg2 in the figure. The gate voltage Vg1 is a gate voltage in a selected row selected by the V scanning circuit 41, and the gate voltage Vg2 is a gate voltage in other non-selected rows. However, there is no distinction between the selected row and the non-selected row in this accumulation period.

また、ドレイン領域17a及びソース領域16aとp型ウエル層15とで形成されたpn接合が逆バイアスされ、かつ2.5Vのゲート電圧に対してチャネル領域が空乏化せず、チャネル領域に十分な密度を持って電子が蓄積されるように、全ピクセルのドレイン領域17aに約1.6Vの電圧を印加する。このドレイン領域17aに印加される電圧をドレイン電圧と呼び、同図中ではVdと示されている。さらに、チャネル領域を通して電流が流れないように、スイッチS1を開放して各ピクセルのソース領域16aを信号出力回路43から切り離す。これにより、チャネル領域には十分な密度の電子が蓄積され(いわゆる電子ピンニング状態が形成される)、ソース領域16aは、このチャネル領域を通してドレイン領域17aと繋がり、ドレイン領域17aとほぼ同じ電位になる。   In addition, the pn junction formed by the drain region 17a and the source region 16a and the p-type well layer 15 is reverse-biased, and the channel region is not depleted with respect to a gate voltage of 2.5 V, which is sufficient for the channel region. A voltage of about 1.6 V is applied to the drain regions 17a of all pixels so that electrons are accumulated with a high density. The voltage applied to the drain region 17a is called a drain voltage, and is indicated as Vd in the figure. Further, the switch S1 is opened to disconnect the source region 16a of each pixel from the signal output circuit 43 so that no current flows through the channel region. As a result, electrons having a sufficient density are accumulated in the channel region (a so-called electron pinning state is formed), and the source region 16a is connected to the drain region 17a through the channel region and has substantially the same potential as the drain region 17a. .

このとき、p型ウエル層15及びn型ウエル層12は空乏化し、受光ダイオード10a部の光照射によって発生した電子−ホール対のうち、ホールがp型ウエル層15に蓄積される。また、このとき、p+ 型のホールポケット25は、p型ウエル層15内でホールに対するポテンシャルが最も低くなっているので、ホールはホールポケット25に移動する。 At this time, the p-type well layer 15 and the n-type well layer 12 are depleted, and holes are accumulated in the p-type well layer 15 among the electron-hole pairs generated by light irradiation of the light receiving diode 10a. At this time, since the p + -type hole pocket 25 has the lowest potential with respect to the hole in the p-type well layer 15, the hole moves to the hole pocket 25.

期間Aにおいて、チャネル領域に十分な量の電子を蓄積させることにより、絶縁膜18とチャネル領域との界面での準位のホール発生中心は非活性化状態で保持されて、界面準位からのホールの放出が防止される。すなわち、ホールの放出によるリーク電流が抑制されるため、光照射で発生したホール以外のホールがホールポケット25に蓄積されることが抑制される。   In a period A, by storing a sufficient amount of electrons in the channel region, the level hole generation center at the interface between the insulating film 18 and the channel region is held in an inactivated state, Hole emission is prevented. That is, since leakage current due to the emission of holes is suppressed, accumulation of holes other than holes generated by light irradiation in the hole pocket 25 is suppressed.

蓄積期間終了前の期間Bにおいて、ゲート電圧Vg1,Vg2を接地電位0.0Vとするとともに、ドレイン領域17a及びソース領域16aとp型ウエル層15とで形成されたpn接合が期間Aのときよりもより深く逆バイアスされるように、ドレイン電圧Vdを約3.3Vとする。これにより、チャネル領域はデプリーション状態を維持するとともに、p型ウエル層15にはホールポケット25に向かうより強い電界が生じて、受光ダイオード10a部のp型ウエル層15に残存するホールは全てホールポケット25に移送される。ホールポケット25では、ホールの蓄積電荷量に対応したアクセプタの負電荷量が中性化されるので、ソース領域16a付近のポテンシャルが変調されて、MOSトランジスタ10bの閾値電圧が変化する。   In the period B before the end of the accumulation period, the gate voltages Vg1 and Vg2 are set to the ground potential 0.0 V, and the pn junction formed by the drain region 17a and the source region 16a and the p-type well layer 15 is from the period A. The drain voltage Vd is set to about 3.3V so that the reverse bias is deeper. As a result, the channel region maintains a depletion state, and a stronger electric field is generated in the p-type well layer 15 toward the hole pocket 25, so that all the holes remaining in the p-type well layer 15 of the light receiving diode 10a are all hole pockets. 25. In the hole pocket 25, since the negative charge amount of the acceptor corresponding to the accumulated charge amount of the hole is neutralized, the potential near the source region 16a is modulated, and the threshold voltage of the MOS transistor 10b changes.

なお、この蓄積期間において、前第(N−1)行の水平ブランキング期間で各列の第1ラインメモリと第2ラインメモリとに記憶されたソース電位の電位差に対応する映像信号Voutが信号出力回路43から出力されているが、この信号出力動作に関しては第2読出期間の後に説明する。   In this accumulation period, the video signal Vout corresponding to the potential difference between the source potentials stored in the first line memory and the second line memory in each column in the horizontal blanking period of the previous (N−1) th row is a signal. Although it is output from the output circuit 43, this signal output operation will be described after the second readout period.

次に、第1読出期間(ST2)に移行する。第1読出期間開始直後の期間Cにおいて、信号出力回路43のスイッチS1,S3を閉じ、その他のスイッチを開放して、第1ラインメモリ50と垂直出力線34との間を導通させるとともに、第2ラインメモリ51と垂直出力線34との間を非導通とする。このとき、ゲート電圧Vg1,Vg2を接地電位0.0Vとするとともに、スイッチS2を閉じて、第1ラインメモリ50に約1.6Vのプリセット電圧Vmprを与える。また、このとき、全てのピクセル10のドレイン電圧Vdは約3.3Vに保たれる。なお、このプリセット電圧Vmprは、接地電位より大きく、かつ、第1及び第2読出期間において第1及び第2ラインメモリ50,51に読み出されるソース電位VS1,VS2より低い電圧に設定される。   Next, the process proceeds to the first reading period (ST2). In the period C immediately after the start of the first reading period, the switches S1 and S3 of the signal output circuit 43 are closed and the other switches are opened, and the first line memory 50 and the vertical output line 34 are electrically connected. The 2-line memory 51 and the vertical output line 34 are made non-conductive. At this time, the gate voltages Vg1 and Vg2 are set to the ground potential 0.0V, the switch S2 is closed, and a preset voltage Vmpr of about 1.6V is applied to the first line memory 50. At this time, the drain voltage Vd of all the pixels 10 is maintained at about 3.3V. The preset voltage Vmpr is set to a voltage higher than the ground potential and lower than the source potentials VS1 and VS2 read to the first and second line memories 50 and 51 in the first and second read periods.

第1読出期間のこの後半の期間Dにおいて、スイッチS2を開放し、第1ラインメモリ50と垂直出力線34とは導通させておく。このとき、V走査回路41は、選択する第N行の垂直走査信号供給線35に約2.2Vのゲート電圧Vg1を印加して、その他の非選択の垂直走査信号供給線35のゲート電圧Vg2を接地電位0.0Vとする。また、このとき、全てのピクセル10のドレイン電圧Vdは約3.3Vに保たれる。このような電圧印加により、選択された行のMOSトランジスタ10bは飽和状態で動作する。   In the second half period D of the first read period, the switch S2 is opened, and the first line memory 50 and the vertical output line 34 are kept conductive. At this time, the V scanning circuit 41 applies the gate voltage Vg1 of about 2.2 V to the vertical scanning signal supply line 35 of the Nth row to be selected, and the gate voltage Vg2 of the other non-selected vertical scanning signal supply lines 35. Is set to ground potential 0.0V. At this time, the drain voltage Vd of all the pixels 10 is maintained at about 3.3V. By such voltage application, the MOS transistor 10b in the selected row operates in a saturated state.

この期間Dでは、第N行目の各ピクセル10のソース領域16aに生成された電位(第1電位信号)VS1によって各列の第1ラインメモリ50が充電される。電位VS1は、ホール蓄積前の固有の基準電位(雑音電位)VS2と、ホールポケット25に蓄積されたホールによって上昇した電位とを含んだ電位である。なお、ラインメモリへのソース電位の転送を「読み出し」と表現している。各列で第1ラインメモリへの電位VS1の読み出しが同時に行われる。   In this period D, the first line memory 50 in each column is charged by the potential (first potential signal) VS1 generated in the source region 16a of each pixel 10 in the Nth row. The potential VS <b> 1 is a potential including a unique reference potential (noise potential) VS <b> 2 before hole accumulation and a potential raised by holes accumulated in the hole pocket 25. Note that the transfer of the source potential to the line memory is expressed as “reading”. In each column, the potential VS1 is simultaneously read from the first line memory.

第1読出期間が終了すると、閉じていた電圧ブロック用のスイッチS1、及びスイッチS3を開放して第1ラインメモリ50に電位VS1を保持し、初期化期間(ST3)に移行する。まず、選択された第N行のゲート電極19を電気的に外部から切り離してフローティング状態(ハイインピーダンス状態)にする。このとき、他の非選択行のゲート電極19を接地して、ゲート電圧Vg2を0.0Vとする。   When the first read period ends, the closed voltage block switch S1 and switch S3 are opened, the potential VS1 is held in the first line memory 50, and the process proceeds to the initialization period (ST3). First, the selected gate electrode 19 in the Nth row is electrically disconnected from the outside to enter a floating state (high impedance state). At this time, the gate electrodes 19 of other non-selected rows are grounded, and the gate voltage Vg2 is set to 0.0V.

続いて、昇圧回路40から昇圧電圧出力線37を介して各ピクセル10のソース領域16aに高電圧を供給するとともに、このとき、スイッチ回路45がドレイン電圧供給線36と昇圧電圧出力線37とを短絡して、ソース領域16aとドレイン領域17aとをピクセル10の外部から電気的に接続することで、ソース領域16aとドレイン領域17aとに同時に約6.6Vの高電圧を印加する。第N行のゲート電極19にはすでに約2.2Vに充電されており、ソース−ゲート間及びソース−ドレイン間の容量を介して約6.6Vの電圧が加わり、ゲート電圧Vg1は約8.6Vとなる。   Subsequently, a high voltage is supplied from the booster circuit 40 to the source region 16a of each pixel 10 via the boosted voltage output line 37. At this time, the switch circuit 45 connects the drain voltage supply line 36 and the boosted voltage output line 37. By short-circuiting and electrically connecting the source region 16a and the drain region 17a from the outside of the pixel 10, a high voltage of about 6.6 V is simultaneously applied to the source region 16a and the drain region 17a. The gate electrode 19 in the Nth row is already charged to about 2.2 V, and a voltage of about 6.6 V is applied through the capacitance between the source and gate and between the source and drain, and the gate voltage Vg1 is about 8.V. 6V.

約8.6Vのゲート電極19の電圧Vg1は、p型ウエル層15及びその下のn型ウエル層12にかかる。このとき発生する高電界により、第N行のピクセル10内のp型ウエル層15及びホールポケット25からホールを基板11へ掃き出すことができる。このように、低い電圧で確実にホールを掃き出し、初期化を行うことができる。なお、他の非選択行のホールポケット25に蓄積されたホールは排出されずホールポケット25内に保持される。   The voltage Vg1 of the gate electrode 19 of about 8.6 V is applied to the p-type well layer 15 and the n-type well layer 12 therebelow. Due to the high electric field generated at this time, holes can be swept out to the substrate 11 from the p-type well layer 15 and the hole pocket 25 in the pixels 10 in the Nth row. In this way, initialization can be performed by reliably sweeping out holes with a low voltage. The holes accumulated in the hole pockets 25 of other non-selected rows are not discharged but are held in the hole pockets 25.

次に、第2読出期間(ST4)に移行する。スイッチS1,S2の制御は第1読出期間と同様とし、第1読出期間におけるスイッチS3の制御をスイッチS5に、第1読出期間におけるスイッチS4の制御をスイッチS6に変更した上で、第N行について第1読出期間と同様な読出動作を行う。すなわち、期間Eは期間C、期間Fは期間Dと同様である。これにより、ホールポケット25からホールが排出された状態において、第N行のピクセル10のソース領域16aに生成される固有の基準電位(第2電位信号)VS2で第2ラインメモリ51が充電される。各列で第2ラインメモリへの電位VS2の読み出しが同時に行われる。なお、ステップST2〜ST4は、水平ブランキング期間内に行われ、1つの行について初期化を行うとともに、初期化の前後でソース電位を読み出す期間である。   Next, the process proceeds to the second reading period (ST4). The switches S1 and S2 are controlled in the same manner as in the first readout period. The control of the switch S3 in the first readout period is changed to the switch S5, and the control of the switch S4 in the first readout period is changed to the switch S6. A reading operation similar to that in the first reading period is performed for. That is, the period E is the same as the period C, and the period F is the same as the period D. As a result, the second line memory 51 is charged with the inherent reference potential (second potential signal) VS2 generated in the source region 16a of the pixel 10 in the Nth row in a state where holes are discharged from the hole pocket 25. . In each column, the potential VS2 is simultaneously read from the second line memory. Note that steps ST2 to ST4 are performed during the horizontal blanking period, and are performed for initialization of one row and the source potential is read before and after the initialization.

第2読出期間の終了後、スイッチS1,S5を開放して第2ラインメモリ51に電位VS2を保持し、ステップST1の蓄積期間に戻る。蓄積期間では、前述の蓄積動作を行うとともに、第1及び第2読出期間で各列の第1及び第2ラインメモリ50,51に読み出されたソース電位VS1,VS2の電位差を演算増幅手段で順次に演算増幅し、映像信号Voutとして出力する信号出力動作を行う。   After the end of the second read period, the switches S1 and S5 are opened to hold the potential VS2 in the second line memory 51, and the process returns to the accumulation period of step ST1. In the accumulation period, the above-described accumulation operation is performed, and the potential difference between the source potentials VS1 and VS2 read to the first and second line memories 50 and 51 in each column in the first and second readout periods is calculated by the operational amplification means. A signal output operation for sequentially performing operational amplification and outputting as a video signal Vout is performed.

この信号出力動作時には、H走査回路44によって列ごとに設けられた水平走査信号供給線38に順に水平走査信号(HSCAN)が供給される。スイッチS4,S6は、水平走査信号供給線38に水平走査信号HSCANが供給されたとき同時に閉じられる。スイッチS8を切り換えて第1帰還キャパシタ55の他端を差動アンプ54の正出力端子側に接続し、スイッチS9を切り換えて第2帰還キャパシタ56の他端を差動アンプ54の負出力端子側に接続するとともに、スイッチS4,S6を閉じると、第1及び第2ラインメモリ50,51に保持された電位VS1,VS2が第1及び第2水平信号線52,53に伝達され、電位VS1,VS2に応じた電荷が帰還キャパシタ55,56にそれぞれ蓄積される。このように、H走査回路44は、水平走査手段として機能する。   During this signal output operation, the horizontal scanning signal (HSCAN) is sequentially supplied to the horizontal scanning signal supply line 38 provided for each column by the H scanning circuit 44. The switches S4 and S6 are closed simultaneously when the horizontal scanning signal HSCAN is supplied to the horizontal scanning signal supply line 38. The switch S8 is switched to connect the other end of the first feedback capacitor 55 to the positive output terminal side of the differential amplifier 54, and the switch S9 is switched to connect the other end of the second feedback capacitor 56 to the negative output terminal side of the differential amplifier 54. When the switches S4 and S6 are closed, the potentials VS1 and VS2 held in the first and second line memories 50 and 51 are transmitted to the first and second horizontal signal lines 52 and 53, and the potential VS1, Charges corresponding to VS2 are stored in feedback capacitors 55 and 56, respectively. Thus, the H scanning circuit 44 functions as a horizontal scanning unit.

差動アンプ54の出力電位VoutP,VoutMは、第1及び第2帰還キャパシタ55,56の蓄積電荷に基づいた値となる。水平出力線57に電位差(VS1−VS2)に応じた出力電位VoutPが出力され、水平出力線58に電位差(VS2−VS1)に応じた出力電位VoutMが出力される。出力電位VoutP,VoutMは、例えば、図示しないAD変換器に入力され、映像信号処理される。   The output potentials VoutP and VoutM of the differential amplifier 54 have values based on the accumulated charges of the first and second feedback capacitors 55 and 56. An output potential VoutP corresponding to the potential difference (VS1-VS2) is output to the horizontal output line 57, and an output potential VoutM corresponding to the potential difference (VS2-VS1) is output to the horizontal output line 58. The output potentials VoutP and VoutM are input to an AD converter (not shown), for example, and are subjected to video signal processing.

以上のように、水平走査信号供給線38に水平走査信号HSCANが供給された1列について映像信号Voutの出力が完了すると、スイッチS4,S6を開放するとともに、スイッチS8,S9を切り換えて第1及び第2帰還キャパシタ55,56の他端に電位Vcmを与える。また、このとき、スイッチS7を閉じて第1水平信号線52と第2水平信号線53とを同電位にする。この後、スイッチS7を開放するとともに、H走査回路44によって隣の列の水平走査信号供給線38が選択され、同様な信号出力動作が最終列まで繰り返し行われる。   As described above, when the output of the video signal Vout is completed for one column in which the horizontal scanning signal HSCAN is supplied to the horizontal scanning signal supply line 38, the switches S4 and S6 are opened, and the switches S8 and S9 are switched to the first. The potential Vcm is applied to the other ends of the second feedback capacitors 55 and 56. At this time, the switch S7 is closed to bring the first horizontal signal line 52 and the second horizontal signal line 53 to the same potential. Thereafter, the switch S7 is opened, the horizontal scanning signal supply line 38 of the adjacent column is selected by the H scanning circuit 44, and the same signal output operation is repeated until the final column.

この蓄積期間が終了すると、次行の第(N+1)行が選択され、前述したステップST2〜ST4の動作が行われる。このようにして、ステップST1〜ST4の動作が受光領域の各行について行われ、最終行に達した場合には先頭行へ戻って同じ動作が繰り返される(ローリング動作)。各行の露光時間(ホール蓄積時間)は、ステップST2〜ST4の水平ブランキング期間が終了してからローリング動作を行って次の水平ブランキング期間が開始されるまでの時間、すなわち1フレームに要される時間に相当する。   When this accumulation period ends, the next (N + 1) th row is selected, and the operations in steps ST2 to ST4 described above are performed. In this way, the operations in steps ST1 to ST4 are performed for each row of the light receiving region, and when reaching the last row, the operation returns to the first row and the same operation is repeated (rolling operation). The exposure time (hole accumulation time) of each row is required for the time from the end of the horizontal blanking period of steps ST2 to ST4 to the start of the next horizontal blanking period after the rolling operation is performed, that is, one frame. It corresponds to the time.

次に、上記の信号出力動作時における信号出力回路43内の各部の電位状態を検証する。まず、第1ラインメモリ50の静電容量をC1、第2ラインメモリ51の静電容量をC2、第1水平信号線52の電位をV1、第2水平信号線53の電位をV2、第1帰還キャパシタ55の静電容量をC3、第2帰還キャパシタ56の静電容量をC4、第1帰還キャパシタ55の他端の電位をV3、第2帰還キャパシタ56の他端の電位をV4とし、信号出力動作が全く行われていない初期状態で電位V1,V2を0Vとする。   Next, the potential state of each part in the signal output circuit 43 during the signal output operation is verified. First, the capacitance of the first line memory 50 is C1, the capacitance of the second line memory 51 is C2, the potential of the first horizontal signal line 52 is V1, the potential of the second horizontal signal line 53 is V2, the first The capacitance of the feedback capacitor 55 is C3, the capacitance of the second feedback capacitor 56 is C4, the potential of the other end of the first feedback capacitor 55 is V3, and the potential of the other end of the second feedback capacitor 56 is V4. In an initial state where no output operation is performed, the potentials V1 and V2 are set to 0V.

スイッチS4,S6が閉じられる前の状態、すなわち第1及び第2ラインメモリ50,51に電位VS1,VS2がそれぞれ保持された状態において、V1=V2=0V、V3=V4=Vcm、VoutP=VoutM=Vcmとなっている。この状態から、スイッチS8,S9を切り換えて第1及び第2帰還キャパシタ55,56の他端を差動アンプ54の出力端子側に接続してもこの電位状態は変わらない。   In a state before the switches S4 and S6 are closed, that is, in a state where the potentials VS1 and VS2 are held in the first and second line memories 50 and 51, V1 = V2 = 0V, V3 = V4 = Vcm, VoutP = VoutM = Vcm. From this state, even if the switches S8 and S9 are switched to connect the other ends of the first and second feedback capacitors 55 and 56 to the output terminal side of the differential amplifier 54, the potential state does not change.

ここで、スイッチS4,S6が閉じられ、かつスイッチS8,S9が出力端子側へ切り換えられる前後における各部の電位は、電荷保存則から、
C1・VS1−C3・Vcm=C1・V1+C3・(V1−VoutP)
C2・VS2−C4・Vcm=C2・V2+C4・(V2−VoutM)
の関係式を満たす。ここで、説明の簡略化のためにC1=C2=C3=C4とすると、上記関係式はそれぞれ、
関係式1: VS1−Vcm=2・V1−VoutP
関係式2: VS2−Vcm=2・V2−VoutM
と簡単化される。
Here, the potentials of the respective parts before and after the switches S4 and S6 are closed and the switches S8 and S9 are switched to the output terminal side are as follows:
C1 * VS1-C3 * Vcm = C1 * V1 + C3 * (V1-VoutP)
C2 / VS2-C4 / Vcm = C2 / V2 + C4 / (V2-VoutM)
Is satisfied. Here, for simplification of explanation, assuming that C1 = C2 = C3 = C4, the above relational expressions are respectively
Relational expression 1: VS1-Vcm = 2 · V1-VoutP
Relational expression 2: VS2-Vcm = 2 · V2-VoutM
And simplified.

差動アンプ54の増幅率(利得)をAとすると、A・(−V1+V2)=(VoutP−VoutM)の関係が得られ、増幅率Aはほぼ無限大であることから、V1=V2となる(いわゆるイマジナルショート)。V1=V2として関係式1、2を減算すると、VoutM−VoutP=VS1−VS2の関係式が得られる。また、V1=V2=Vxとして関係式1、2を加算すると、Vx=(VS1+VS2)/4+(VoutP−Vcm)/4+(VoutM−Vcm)/4の関係式が得られる。   Assuming that the amplification factor (gain) of the differential amplifier 54 is A, the relationship of A · (−V1 + V2) = (VoutP−VoutM) is obtained, and the amplification factor A is almost infinite, so that V1 = V2. (So-called imaginary short). By subtracting relational expressions 1 and 2 with V1 = V2, a relational expression of VoutM−VoutP = VS1−VS2 is obtained. Further, when relational expressions 1 and 2 are added with V1 = V2 = Vx, a relational expression of Vx = (VS1 + VS2) / 4 + (VoutP−Vcm) / 4 + (VoutM−Vcm) / 4 is obtained.

そして、差動アンプ54の出力電位VoutP,VoutMは、Vcm=(VoutP+VoutM)/2の関係を満たすことから、Vx=(VS1+VS2)/4の関係が得られる。従って、信号出力時における第1水平信号線52の電位V1と、第2水平信号線53の電位V2とはほぼ等しく、第1ラインメモリ50に保持された電位VS1と、第2ラインメモリ51に保持された電位VS2とで平均化された電位となる。   Since the output potentials VoutP and VoutM of the differential amplifier 54 satisfy the relationship Vcm = (VoutP + VoutM) / 2, the relationship Vx = (VS1 + VS2) / 4 is obtained. Therefore, the potential V1 of the first horizontal signal line 52 and the potential V2 of the second horizontal signal line 53 at the time of signal output are substantially equal, and the potential VS1 held in the first line memory 50 and the second line memory 51 The potential is averaged with the held potential VS2.

水平出力線57,58が電位VoutP,VoutMを出力した後、スイッチS4,S6を開放するとともに、スイッチS8,S9を切り換え、第1及び第2帰還キャパシタ55,56の他端の電位VoutP,VoutMを、ともに電位Vcmにリセットする。このとき、第1水平信号線52と第2水平信号線53とを確実に同じ電位Vxとするために、スイッチS7を閉じる。なお、スイッチS7は必ずしも必要ではなく、設けなくてもよい。   After the horizontal output lines 57 and 58 output the potentials VoutP and VoutM, the switches S4 and S6 are opened, the switches S8 and S9 are switched, and the potentials VoutP and VoutM at the other ends of the first and second feedback capacitors 55 and 56 are switched. Are reset to the potential Vcm. At this time, the switch S7 is closed to ensure that the first horizontal signal line 52 and the second horizontal signal line 53 have the same potential Vx. Note that the switch S7 is not always necessary and may not be provided.

この後、スイッチS7を開放するとともに、H走査回路44によって隣の列の水平走査信号供給線38が選択され、同様な信号出力動作が実施される。このとき、第1及び第2水平信号線52,53の電位V1,V2は、(VS1+VS2)/4を初期値とし、信号出力時には、ともに等しく電位Vx(2) =(VS1(2) +VS(2) )/4+(VS1+VS2)/8となる。なお、VS1(2) ,VS(2) は、第1及び第2読出期間において2列目の第1及び第2ラインメモリにそれぞれ保持された電位を表す。 Thereafter, the switch S7 is opened, and the horizontal scanning signal supply line 38 in the adjacent column is selected by the H scanning circuit 44, and a similar signal output operation is performed. At this time, the potentials V1 and V2 of the first and second horizontal signal lines 52 and 53 have (VS1 + VS2) / 4 as an initial value, and at the time of signal output, the potentials Vx (2) = (VS1 (2) + VS ( 2) ) / 4+ (VS1 + VS2) / 8. Note that VS1 (2) and VS (2) represent potentials held in the first and second line memories in the second column in the first and second readout periods, respectively.

そして、第n列目の水平走査信号供給線38が選択されて信号出力が行われたときの第1及び第2水平信号線52,53の電位V1,V2はともに等しく、次の関係式3によって表される。   The potentials V1 and V2 of the first and second horizontal signal lines 52 and 53 when the horizontal scanning signal supply line 38 of the nth column is selected and signal output is performed are equal, and the following relational expression 3 Represented by

Figure 2006074497
なお、VS1(k) ,VS2(k) は、第1及び第2読出期間において第k列目の第1及び第2ラインメモリにそれぞれ保持された電位を表し、VS1(0) =VS1、VS2(0) =VS2である。このように、H走査回路44による水平走査中の第1及び第2水平信号線52,53の電位は、それまでに走査された各列の第1及び第2ラインメモリに保持されていた電位に応じて決定される平均化された電位となる。
Figure 2006074497
Note that VS1 (k) and VS2 (k) represent potentials held in the first and second line memories in the k-th column in the first and second readout periods, respectively, and VS1 (0) = VS1, VS2 (0) = VS2. As described above, the potentials of the first and second horizontal signal lines 52 and 53 during the horizontal scanning by the H scanning circuit 44 are the potentials held in the first and second line memories of each column scanned so far. Is an averaged potential determined according to.

最終列まで水平走査が終了して、第1行の信号出力が完了すると、全ての垂直出力線34におけるスイッチS2,S1が閉じられ垂直出力線34がプリセット電圧Vmprでリセットされた後、スイッチS2,S1が開放される。この後、第2行が選択されて次のステップへ移行する。   When the horizontal scanning is completed up to the last column and the signal output of the first row is completed, the switches S2 and S1 in all the vertical output lines 34 are closed and the vertical output lines 34 are reset with the preset voltage Vmpr, and then the switch S2 , S1 are opened. Thereafter, the second row is selected and the process proceeds to the next step.

以上の本発明の第1実施形態では、第1及び第2水平信号線52,53の電位V1,V2は、1つの行について水平走査が終わった後、上記関係式3で表される電位が保持されたまま次のステップへ移行するが、これに限られるものではなく、電位V1,V2を、1水平走査または1フレームの信号出力が完了するたびに所定の電位にリセットするようにしてもよい。   In the first embodiment of the present invention described above, the potentials V1 and V2 of the first and second horizontal signal lines 52 and 53 are equal to the potential represented by the relational expression 3 after the horizontal scanning is completed for one row. However, the present invention is not limited to this, and the potentials V1 and V2 may be reset to a predetermined potential every time one horizontal scan or one frame signal output is completed. Good.

図7は、本発明の第2実施形態の固体撮像装置に用いられる信号出力回路60である。信号出力回路60では、図4の信号出力回路43で用いられたスイッチS8,S9が排除されるとともに、差動アンプ54の負入力端子と正出力端子との間に第1帰還キャパシタ55及びスイッチS10が並列に接続され、差動アンプ54の正入力端子と負出力端子との間に第2帰還キャパシタ56及びスイッチS11が並列に接続されている。また、信号出力回路60には所定の電位を保持する電位保持回路61が設けられており、電位保持回路61の入力側はスイッチS12を介して第2水平信号線53に接続され、電位保持回路61の出力側は差動アンプ54が備えるCMF端子に接続されている。電位保持回路61は、例えば、差動アンプを用いた積分回路によって構成される。   FIG. 7 shows a signal output circuit 60 used in the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. In the signal output circuit 60, the switches S8 and S9 used in the signal output circuit 43 in FIG. 4 are eliminated, and the first feedback capacitor 55 and the switch are provided between the negative input terminal and the positive output terminal of the differential amplifier 54. S10 is connected in parallel, and the second feedback capacitor 56 and the switch S11 are connected in parallel between the positive input terminal and the negative output terminal of the differential amplifier 54. Further, the signal output circuit 60 is provided with a potential holding circuit 61 for holding a predetermined potential. The input side of the potential holding circuit 61 is connected to the second horizontal signal line 53 via the switch S12, and the potential holding circuit. The output side of 61 is connected to a CMF terminal provided in the differential amplifier 54. The potential holding circuit 61 is configured by an integrating circuit using a differential amplifier, for example.

蓄積期間中の信号出力動作時において、第1列のスイッチS4,S6を閉じて信号出力を行うと、第1及び第2水平信号線52,53に上記電位Vxが生じる。スイッチS12を閉じて電位保持回路61に電位Vxを保持した後、電位Vxを上記電位Vcmとして差動アンプ54に入力するとともに、スイッチS10,S11を閉じて差動アンプ54の入力端子と出力端子とを短絡させる。この動作を各列の水平走査とともに繰り返し実行することにより、第1及び第2水平信号線52,53の電位は、関係式3と同様な電位となる。すなわち、それまでに走査された各列の第1及び第2ラインメモリに保持されていた電位に応じて決定される平均化された電位となる。   During the signal output operation during the accumulation period, when the signals S are output by closing the switches S4 and S6 in the first column, the potential Vx is generated in the first and second horizontal signal lines 52 and 53. After the switch S12 is closed and the potential holding circuit 61 holds the potential Vx, the potential Vx is input to the differential amplifier 54 as the potential Vcm, and the switches S10 and S11 are closed to input and output terminals of the differential amplifier 54. And short circuit. By repeatedly performing this operation together with the horizontal scanning of each column, the potentials of the first and second horizontal signal lines 52 and 53 become the same as in the relational expression 3. That is, the averaged potential is determined according to the potential held in the first and second line memories of each column scanned so far.

図8は、本発明の第3実施形態の固体撮像装置に用いられる信号出力回路70である。信号出力回路70では、図4の信号出力回路43で用いられた差動アンプ54の代わりに、差動アンプ71,72が設けられている。信号出力回路60には第2実施形態と同様な電位保持回路73が設けられており、電位保持回路73の出力側は差動アンプ71,72の正入力端子に共通に接続されている。また、ピクセル10が配列された受光領域の複数行のうち、例えば1行を遮光して、光が照射されることのない領域(オプティカルブラック領域)を形成する。   FIG. 8 shows a signal output circuit 70 used in the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. In the signal output circuit 70, differential amplifiers 71 and 72 are provided instead of the differential amplifier 54 used in the signal output circuit 43 of FIG. The signal output circuit 60 is provided with the same potential holding circuit 73 as in the second embodiment, and the output side of the potential holding circuit 73 is commonly connected to the positive input terminals of the differential amplifiers 71 and 72. Further, for example, one of the plurality of rows of the light receiving region in which the pixels 10 are arranged is shielded to form a region (optical black region) where no light is irradiated.

信号出力動作時において、オプティカルブラック領域内のピクセルのソース電位を電位保持回路73に随時保持し、基準電位として差動アンプ71,72の正入力端子に入力する。この場合においても、第1及び第2水平信号線52,53の電位は、それまでに走査された各列の第1及び第2ラインメモリに保持されていた電位に応じて決定される電位となることは上記第1及び第2実施形態と同様である。   During the signal output operation, the source potential of the pixel in the optical black area is held in the potential holding circuit 73 as needed, and is input to the positive input terminals of the differential amplifiers 71 and 72 as a reference potential. Even in this case, the potentials of the first and second horizontal signal lines 52 and 53 are determined according to the potentials held in the first and second line memories of each column scanned so far. This is the same as in the first and second embodiments.

以上の第1〜第3実施形態で示したように、信号出力動作時において、第1及び第2水平信号線52,53の電位をそれまでに走査された各列の第1及び第2ラインメモリに保持されていた電位に応じて決定される電位とすることで、暗部における固定パターンノイズの発生が抑制される。暗部における固定パターンノイズの発生は、従来のように各水平信号線が固定電位に固定された場合、各ラインメモリによって決まる電位と、これとは異なる固定電位との間の電位差により、各ラインメモリの非線形出力特性によって、特に暗部において出力の微小な差異を生じていたことが原因であると考えられる。   As described in the first to third embodiments, the first and second lines of each column that have been scanned with the potentials of the first and second horizontal signal lines 52 and 53 so far during the signal output operation. By setting the potential to be determined according to the potential held in the memory, generation of fixed pattern noise in the dark portion is suppressed. The generation of fixed pattern noise in the dark area is caused by the potential difference between the potential determined by each line memory and a fixed potential different from this when each horizontal signal line is fixed at a fixed potential as in the prior art. This is considered to be caused by a slight difference in output particularly in a dark part due to the nonlinear output characteristics of

上記第1〜第3実施形態において、受光領域を図1及び図2で示した閾値変調型のピクセル10によって構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、受光領域のピクセルの構成及びその配列などは適宜変更できる。ピクセルは、蓄積電荷量に基づく電位により、信号出力回路内の各ラインメモリを充電することができるものであればよい。   In the first to third embodiments, the light receiving region is configured by the threshold modulation type pixel 10 illustrated in FIGS. 1 and 2, but the present invention is not limited to this, and the configuration of the pixel in the light receiving region and The arrangement and the like can be changed as appropriate. Any pixel may be used as long as it can charge each line memory in the signal output circuit with a potential based on the amount of accumulated charge.

ピクセルの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of a pixel. 図1のA−A線に沿うピクセルの断面図である。It is sectional drawing of the pixel which follows the AA line of FIG. 固体撮像装置の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of a solid-state imaging device. 信号出力回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of a signal output circuit. 固体撮像装置の撮像動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the imaging operation of a solid-state imaging device. 撮像動作時の印加電圧を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the applied voltage at the time of imaging operation. 第2実施形態における信号出力回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the signal output circuit in 2nd Embodiment. 第3実施形態における信号出力回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the signal output circuit in 3rd Embodiment. 従来の固体撮像装置における信号出力回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the signal output circuit in the conventional solid-state imaging device.

符号の説明Explanation of symbols

10 ピクセル
10a 受光ダイオード
10b 光信号検出用MOSトランジスタ
16a ソース領域
17a ドレイン領域
19 ゲート電極
34 垂直出力線
35 垂直走査信号供給線
36 ドレイン電圧供給線
38 水平走査信号供給線
43 信号出力回路
44 水平走査回路
45 スイッチ回路
50 第1ラインメモリ
51 第2ラインメモリ
52 第1水平信号線
53 第2水平信号線
54 差動アンプ
55 第1帰還キャパシタ
56 第2帰還キャパシタ
57,58 水平出力線
60,70 信号出力回路
61,73 電位保持回路
71,72 差動アンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Pixel 10a Photodiode 10b Optical signal detection MOS transistor 16a Source region 17a Drain region 19 Gate electrode 34 Vertical output line 35 Vertical scanning signal supply line 36 Drain voltage supply line 38 Horizontal scanning signal supply line 43 Signal output circuit 44 Horizontal scanning circuit 45 switch circuit 50 first line memory 51 second line memory 52 first horizontal signal line 53 second horizontal signal line 54 differential amplifier 55 first feedback capacitor 56 second feedback capacitor 57, 58 horizontal output line 60, 70 signal output Circuit 61, 73 Potential holding circuit 71, 72 Differential amplifier

Claims (3)

行と列に配列され、光照射量に応じた電位信号を生成する複数の光電変換素子と、
列ごとに設けられた複数の垂直出力線と、
前記各垂直出力線に短絡開放自在に接続され、前記光電変換素子が光照射された場合に生成する第1電位信号を記憶する複数の第1記憶手段と、
前記各垂直出力線に短絡開放自在に接続され、前記光電変換素子が初期化された場合に生成する第2電位信号を記憶する複数の第2記憶手段と、
前記各第1記憶手段に短絡開放自在に接続された第1水平信号線と、
前記各第2記憶手段に短絡開放自在に接続された第2水平信号線と、
前記第1及び第2水平信号線が入力端子に接続され、前記第1及び第2電位信号の差に応じた差信号を出力する演算増幅手段と、
前記第1及び第2記憶手段と前記第1及び第2水平信号線の接続状態を制御し、前記第1及び第2電位信号を、列ごとに前記第1及び第2水平信号線に伝達させる水平走査手段とを備え、
前記演算増幅手段は、前記差信号の出力が行われた後、前記第1及び第2水平信号線の電位をともに等しくするとともに、該電位を該出力時までに前記第1及び第2水平信号線に伝達された前記第1及び第2電位信号に応じて決定される電位とすることを特徴とする固体撮像装置。
A plurality of photoelectric conversion elements arranged in rows and columns and generating a potential signal according to the amount of light irradiation;
A plurality of vertical output lines provided for each column;
A plurality of first storage means which are connected to the respective vertical output lines so as to be freely open-circuited and store a first potential signal generated when the photoelectric conversion element is irradiated with light;
A plurality of second storage means connected to each of the vertical output lines so as to be openable to a short circuit and storing a second potential signal generated when the photoelectric conversion element is initialized;
A first horizontal signal line connected to each of the first storage means so as to be openable to a short circuit;
A second horizontal signal line connected to each of the second storage means so as to be openable to a short circuit;
Operational amplification means for connecting the first and second horizontal signal lines to an input terminal and outputting a difference signal corresponding to a difference between the first and second potential signals;
The connection state between the first and second storage means and the first and second horizontal signal lines is controlled, and the first and second potential signals are transmitted to the first and second horizontal signal lines for each column. Horizontal scanning means,
The operational amplifying means equalizes the potentials of the first and second horizontal signal lines after the output of the difference signal and sets the potentials to the first and second horizontal signals before the output. A solid-state imaging device having a potential determined according to the first and second potential signals transmitted to the line.
前記演算増幅手段は、負及び正入力端子に前記第1及び第2水平信号線が接続され、第1帰還キャパシタの一端が負入力端子に、他端が短絡開放自在に正出力端子に接続され、第2帰還キャパシタの一端が正入力端子に、他端が短絡開放自在に負出力端子に接続され、前記正及び負出力端子から出力される2つの出力信号の平均電位を定める基準信号が入力されてなる差動アンプを備え、
前記第1及び第2帰還キャパシタの他端は、前記正及び負出力端子に短絡されて前記差信号の出力が行われた後、前記正及び負出力端子から開放されて、前記基準信号が与えられることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
In the operational amplifier, the first and second horizontal signal lines are connected to the negative and positive input terminals, one end of the first feedback capacitor is connected to the negative input terminal, and the other end is connected to the positive output terminal so as to be freely open-circuited. , One end of the second feedback capacitor is connected to the positive input terminal, the other end is connected to the negative output terminal so as to be short-circuited freely, and a reference signal for determining an average potential of two output signals output from the positive and negative output terminals is input. A differential amplifier,
The other ends of the first and second feedback capacitors are short-circuited to the positive and negative output terminals to output the difference signal, and then released from the positive and negative output terminals to provide the reference signal. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein:
前記演算増幅手段は、負及び正入力端子に前記第1及び第2水平信号線が接続され、第1帰還キャパシタ及び第1スイッチの一端が負入力端子に、他端が正出力端子に接続され、第2帰還キャパシタ及び第2スイッチの一端が正入力端子に、他端が負出力端子に接続され、前記正及び負出力端子から出力される2つの出力信号の平均電位を定める基準信号が入力されてなる差動アンプと、
前記出力時までに前記水平走査手段によって前記第1及び第2水平信号線に伝達された前記第1及び第2電位信号に応じて決定される電位を保持し、この電位を前記基準信号として前記差動アンプに入力する電位保持手段とを備え、
前記信号の出力が行われた後、前記第1及び第2帰還キャパシタの両端が前記第1及び第2スイッチによって短絡されることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
In the operational amplifier, the first and second horizontal signal lines are connected to the negative and positive input terminals, one end of the first feedback capacitor and the first switch are connected to the negative input terminal, and the other end is connected to the positive output terminal. The second feedback capacitor and the second switch have one end connected to the positive input terminal and the other end connected to the negative output terminal. A reference signal for determining the average potential of the two output signals output from the positive and negative output terminals is input. A differential amplifier,
By the time of the output, the potential determined according to the first and second potential signals transmitted to the first and second horizontal signal lines by the horizontal scanning means is held, and this potential is used as the reference signal. A potential holding means for inputting to the differential amplifier,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein both ends of the first and second feedback capacitors are short-circuited by the first and second switches after the signal is output.
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